JP2005251731A - 可撓式軟板積層整合燃料電池の製造方法、及び、可撓式軟板積層整合燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】可撓式軟板積層整合燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】可撓式軟板積層整合燃料電池の製造方法は、（A）フレキシブル回路基板は、プリント回路基板の製造工程を利用し、それぞれ、アノード電線路層、及び、カソード電線層を製造する工程と、（B）質量移動電解質層を製造する工程と、（C）圧合、或いは、粘合工程により、上から下にそれぞれ、前記アノード電線路層、前記質量移動電解質層、及び、前記カソード電線層を、燃料電池の反応層に接合する工程と、（D）可撓式基板により、流道層を形成する工程と、（E）燃料電池反応層と流道層を接合する工程と、からなる。
【選択図】 図 １

Description

本発明は、燃料電池の製造方法、及び、燃料電池に関するものであって、特に、フレキシブルプリント回路板のプリント回路板製造技術を利用して、可撓式軟板積層整合燃料電池を製造する方法、及び、本発明の方法により製造される可撓式軟板積層整合燃料電池に関するものである。

フレキシブルプリント回路板FPCは、絶縁基材、接着剤、及び、銅導体からなる。可撓性を有するので、可撓性プリント基板とも称される。フレキシブルプリント回路板の特徴は、立体配線が可能で、設備を、自由な形状で、導体に置入することができ、また、硬質の積層板では達成できない可撓、軽、薄等の特性を有することである。現在のフレキシブルプリント回路板は、電線を代替するのを主な用途目的としている。

公知の燃料電池設計はスタック式設計で、この種の設計の典型が、米国特許第５２００２７８、５２５２４１０、５３６０６７９、及び、６０３０７１８号等で開示されており、この公知技術で製造された燃料電池は、高い発電効率を有するが、その構造は複雑で、製造が容易でなく、コストも非常に高く、システムに対する要求も厳しい。

米国特許第５６３１０９９号の「表面レプリカ燃料電池（Surface Replica Fuel Cell）では、スタック式、及び、平面式設計の燃料電池が開示されており、その長所は、燃料電池の発電効率を向上させることが出来ると共に、コストが低く、重量が軽く、使用が便利であり、空間制限が少ない、ことである。しかし、これには、構造が複雑で、製造が容易でなく、反応性生物（例えば、水分）の排除が容易でない、空気、或いは、酸素の供給が不便である、という欠点がある。

本発明は、可撓式軟板積層整合燃料電池の製造方法を提供し、フレキシブルプリント回路板の印刷回路板製造工程を利用して、燃料電池を製造することを目的とする。

本発明は、軽、薄、短、小、及び、弾性の形状、大小が調整可能な特性を有する積層整合燃料電池を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、可撓式軟板積層整合燃料電池の製造方法を提供し、その工程は、フレキシブルプリント回路板は、プリント回路基板の製造工程を利用し、それぞれ、アノード電線路層、及び、カソード電線層を製造する工程と、質量移動電解質層を製造する工程と、圧合、或いは、粘合工程により、上から下にそれぞれ、アノード電線路層、質量移動電解質層、及び、カソード電線層を、燃料電池反応層に接合する工程と、可撓式基板により、流道層を形成する工程と、燃料電池反応層と流道層を接合する工程と、からなり、これにより、可撓式軟板積層整合燃料電池の製造を完成する。

更に、上述の目的を達成するため、本発明は、可撓式軟板積層整合燃料電池を提供し、フレキシブルプリント回路板は、それぞれ、アノード電線路層とカソード電線層を製造し、質量移動電解質層は、アノード電線路層とカソード電線層間に挟まれ、最後に、流道層と接合し、可撓式軟板積層整合燃料電池を形成する。

本発明は、フレキシブル回路基板の製造工程を利用し、可撓式軟板積層整合燃料電池を製造することが出来、よって、燃料電池システムに対し、各種異なる体積と外観形状の要求を満たすことが出来る。

本発明の製造方法１０は、可撓式軟板積層整合燃料電池を製造し、特に、可撓式軟板積層整合直接メタノール燃料電池を製造する。本発明の製造方法１０のフローチャートは、図１で示されるように、本発明の製造方法１０の大部分が、プリント回路基板PCBのフレキシブルプリント回路板を材料とし、例えば、銅箔と高分子樹脂からなるフレキシブル銅箔基板で、よって、公知の燃料電池の製造方式と比較して、コストが高い材料を使用し、加工成形の難度から言うと、本発明は、製造加工が容易であるという長所を有し、コストも経済的で、現在の趨勢に符合している。同時に、本発明の方法１０により製造される直接メタノール燃料電池２０は、軽、薄、短、小、及び、弾性の形状、大小が調整可能な特性を有する燃料電池で、携帯電話、PDA、 高度自動機能電話、ノート型パソコン等、各種携帯式電子製品の電力に合わせて使用出来る。本発明の方法１０は、指定された外観形状、尺寸、効率規模等の条件に従って、直接メタノール燃料電池２０を迅速に製造できるので、本発明は、燃料電池の更に便利な製造方法を提供することが出来る。

本発明の可撓式軟板積層整合直接メタノール燃料電池の製造方法は、図１を参照する。工程１０１において、フレキシブルプリント回路板は、プリント回路基板の製造工程を利用し、それぞれ、アノード電線路層２０１、及び、カソード電線層２０３を製造する。工程１０１において、プリント回路板の材料中のフレキシブル銅箔基板材質を、フレキシブル回路基板とする。説明を簡潔にするため、どのように、アノード電線路層２０１を製造するかのみが説明されている。同様に、アノード電線路層２０１の製造方式に基づいて、カソード電線層２０３を製造することが出来る。フレキシブル銅箔基板上に、公知のプリント回路板のドリル工程により、厚さが、１０ｕ〜５０ｕインチの化学銅をめっきした後、厚さ２００ｕ〜５００ｕインチの銅をめっきし、更に、圧膜工程、露光工程、リソグラフィ工程後、厚さ３ｕ〜１０ｕインチの金をめっきし、アノード電線路２０１ａの配置条件により、各アノード電線路２０１ａは、皆、質量移動電解質層２０５の燃料電池ユニット２０ａに対応する。続いて、制御線路２０１ｂを設置し、制御線路２０１ｂは、主に、複数個のSMT電子素子からなる回路である。最後に、アノード電線路２０１ａと制御線路２０１ｂにより、銅箔パターンをエッチングし、その後、SMT電子素子の溶接、回路テストを実行して、アノード電線路層２０１が完成する。

図２は、本発明の方法により製造されるアノード電線路層を示す図である。図３は、本発明のアノード電線路層の構造拡大図である。図４は、本発明の方法により製造されるカソード電線路層を示す図である。図５は、本発明のカソード電線路層の構造拡大図である。工程１０１により製造されたアノード電線路層２０１とカソード電線路層２０３は、それぞれ、エッチングされた銅箔パターンが形成するアノード電線路２０１ａとカソード電線２０３ａを有し、アノード電線路２０１ａとカソード電線２０３ａの属する領域内に、多くのホール２０１１、２０３１を設置する。アノード電線路２０１ａのこれらのホール２０１１は、メタノール水溶液を、質量移動電解質層２０５中に流入し、カソード電線２０３ａのホール２０３１は、外界の空気を、質量移動電解質層２０５中に送る。更に、アノード電線路層２１０は、制御線路２０１ｂを設置し、カソード電線路層２０３は、制御線路２０３ｂを設置する。制御線路２０１ｂと制御線路２０３ｂの功能により、燃料電池２０の実用性を強化することが出来る。

工程１０３は、質量移動電解質層２０５を製造し、図６の質量移動電解質層の構造分解図を参照する。本発明の工程１０３において、プロトン交換膜２０５ａと高分子材料上に、それぞれ、所定ノードのプラチナＰｔと、所定濃度のプラチナＰｔ／ルテニウムＲｕをコーティングした後、ゲル接合により、プロトン交換膜２０５ａ、高分子触媒層２０５ｂ、及び、カーボン紙／カーボン布２０５ｃが、質量移動電解質層２０５を形成する。プロトン交換膜２０５ａの材料は、Dupond 社製の Nafion を使用し、コーティング手段は、高分子ポリマー印刷により実施する。溶剤で触媒プラチナＰｔ／ルテニウムＲｕを調合した所定濃度は、１ｍｇ／ｃm^２〜１０ｍｇ／ｃm^２の間で、アノード反応領域をコーティングし、更に、溶剤のプラチナＰｔ調合の所定濃度は、１ｍｇ／ｃm^２〜１０ｍｇ／ｃm^２の間で、カソード反応領域をコーティングする。コーティング、或いは、スクリーン印刷により、反応触媒は、プロトン交換膜２０５ａ、或いは、カーボン紙／カーボン布２０５ｃに直接印刷され、高温１００℃〜１８０℃で、約１〜２０分圧合され、質量移動電解質層２０５の製造を完成する。工程１０３で、質量移動電解質層２０５は、複数の燃料電池２０ａを有し、図７の本発明の方法により製造される質量移動電解質層の構造を示す図を参照する。

工程１０５において、圧合、或いは、粘合の工程により、上から下に、アノード電線路層２０１、質量移動電解質層２０５、及び、カソード電線層２０３を、燃料電池の反応層２０７に接合する。図８は、本発明の方法により製造される燃料電池反応層の構造を示す図である。本発明の工程１０５において、粘着界質を、印刷、或いは、プレプレグ畳合手段により、上から下に、アノード電線路層２０１、カソード電線層２０３、質量移動電解質層２０５を畳合し、畳合時、各層間で製作された定位孔により、精確な定位畳合を行う。畳合後、更に、ホットプレス機により圧合し、これにより、燃料電池反応層２０７を製造する。工程１０５中のホットプレス機の操作環境は、温度を８０℃〜２００℃間に設定し、圧力が、２ｋｇ／ｃm^２〜５０ｋｇ／ｃm^２の間で圧合される。工程１０５中で使用する粘着界質は、エポキシ、或いは、プレプレグである。

工程１０７は、可撓式基板により、流道層２０９を形成する。図９は、本発明の方法により製造される流道層の構造を示す図である。図１０は、本発明の方法により製造されるもう一つの異なる立体外観の流道層の構造を示す図である。工程１０７中、流道層２０９は、燃料電池２０の需要に基づいた形状、立体外観に設計を加えたものである。工程１０７において、ホットプレス機、レーザー成形機、CNC成形機等の機器設備により、フレキシブル回路基板、或いは、形状に合う非金属材料基板を、可撓式基板とし、可撓式基板で、所定深さの凹槽を形成し、この凹槽は、即ち、流道槽２０９ａで、流道槽２０９ａの所定深さは、１mm〜１０mmの間である。

工程１０９は、燃料電池反応層２０７と流道層２０９を接合する。図１１は、本発明の方法により製造される可撓式軟板積層整合燃料電池の構造を示す図である。工程１０９において、圧合、或いは、粘合により、粘着界質を、印刷、或いは、プレプレグ畳合手段により、燃料電池反応層２０７と流道層２０９を畳合し、畳合後、ホットプレス機により圧合、或いは、高温硬化（curing）し、これにより、可撓式軟板積層整合燃料電池２０を製造する。工程１０９のホットプレス機の圧合、或いは、硬化の操作環境は、温度８０℃〜２００℃の間に設定され、圧合と硬化を実行する。工程１０９中で採用される粘着界質は、エポキシ、或いは、プレプレグである。

本発明の製造方法１０、及び、本方法１０で製造される可撓式軟板積層整合燃料電池２０は、以下のような長所がある。
１． 生産コストと材料コストが低く、製品の体積が縮小でき、経済効果に優れている。
２． 異なる形状、異なる立体外観の需要条件に応じ、条件に符合する燃料電池を製造でき、製品の多様化が達成される。
３． 量産に適用できる。
４． 高度な可撓性、軽薄短小な特性を有し、空間制限により形状を変更することが出来る。
５． 防腐食性、防漏水、防漏気である。
６． 折り畳み可能で、信号伝達功能に影響しない。

本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

本発明の可撓式軟板積層整合燃料電池の製造方法を示すフローチャートである。 本発明の方法により製造されるアノード電線路層を示す図である。 本発明のアノード電線路層の構造拡大図である。 本発明の方法により製造されるカソード電線路層を示す図である。 本発明のカソード電線路層の構造拡大図である。 質量移動電解質層の構造分解図である。 本発明の方法により製造される質量移動電解質層の構造を示す図である。 本発明の方法により製造される燃料電池反応層の構造を示す図である。 本発明の方法により製造される流道層の構造を示す図である。 本発明の方法により製造されるもう一つの異なる立体外観の流道層の構造を示す図である。 本発明の方法により製造される可撓式軟板積層整合燃料電池の構造を示す図である。

符号の説明

１０…製造方法
２０…可撓式軟板積層整合燃料電池
２０…可撓式軟板積層整合直接メタノール燃料電池
２０ａ…燃料電池ユニット
１０１、１０３、１０５、１０７、１０９…工程
２０１…アノード電線路層
２０１ａ…アノード電線路
２０１ｂ…制御線路
２０３…カソード電線路層
２０３ａ…カソード電線路
２０３ｂ…制御線路
２０５…質量移動電解質層
２０５ａ…プロトン交換膜
２０５ｂ…高分子触媒層
２０５ｃ…カーボン紙／カーボン布
２０７…燃料電池反応層
２０９…流道層
２０９ａ…流道槽
２０１１…ホール
２０３１…ホール

Claims (31)

1. 可撓式軟板積層整合燃料電池の製造方法であって、
   （A） フレキシブル回路基板は、プリント回路基板の製造工程を利用し、それぞれ、アノード電線路層、及び、カソード電線路層を製造する工程と、
   （B） 質量移動電解質層を製造する工程と、
   （C） 圧合、或いは、粘合工程により、上から下にそれぞれ、前記アノード電線路層、前記質量移動電解質層、及び、前記カソード電線路層を、燃料電池反応層に接合する工程と、
   （D） 可撓式基板により、流道層を形成する工程と、
   （E） 前記燃料電池反応層と前記流道層を接合する工程と、
   からなり、これにより、前記可撓式軟板積層整合燃料電池の製造を完成することを特徴とする方法。
2. 前記工程（A）は、前記フレキシブル回路基板に穴を開け、前記基板に、厚さが、１０ｕ〜５０ｕインチの化学銅をめっきした後、厚さ２００ｕ〜５００ｕインチの銅をめっきし、更に、圧膜工程、露光工程、リソグラフィ工程後、厚さ３ｕ〜１０ｕインチの金をめっきすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記アノード電線路層は、少なくとも一つ以上のアノード電線路からなり、前記アノード電線路は、前記質量移動電解質層の一つの燃料電池ユニットに対応する
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記アノード電線路層は、更に、制御線路を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記工程（A）は、前記フレキシブル回路基板に穴を開け、前記基板に、厚さが、１０ｕ〜５０ｕインチの化学銅をめっきした後、厚さ２００ｕ〜５００ｕインチの銅をめっきし、更に、圧膜工程、露光工程、リソグラフィ工程後、厚さ３ｕ〜１０ｕインチの金をめっきすることを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記カソード電線路層は、少なくとも一つ以上のカソード電線路からなり、前記カソード電線路は、前記質量移動電解質層の一つの燃料電池ユニットに対応することを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記アノード電線路層は、更に、制御線路を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記工程（B）は、ゲル接合により、プロトン交換膜、高分子触媒層、及び、カーボン紙／カーボン布が接合され、前記質量移動電解質層を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
9. 前記プロトン交換膜の材料は、Dupont 社製の Nafion を使用することを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記工程（ｃ）は、粘着界質を、印刷、或いは、プレプレグ畳合手段により、前記アノード電線路層、前記質量移動電解質層、前記カソード電線層の各層を畳合し、畳合後、更に、ホットプレス機により圧合し、これにより、前記燃料電池反応層を製造することを特徴とする請求項１に記載の方法。
11. 前記工程（D）は、少なくとも、ホットプレス機、レーザー成形機、CNC成形機等の機器設備により、前記フレキシブル回路基板上に、所定深さで、一つ以上の流道槽を形成することを特徴とする請求項１に記載の方法。
12. 前記所定深さは、１mm〜１０mmの間であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記可撓式基板は、可撓性を有し、非金属材料の基板であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
14. 前記可撓式基板は、フレキシブル回路基板であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記工程（E）は、圧合、或いは、粘合により、粘着界質を、印刷、或いは、プレプレグ畳合手段で、前記燃料電池反応層と前記流道層を畳合し、畳合後、ホットプレス機により圧合、或いは、高温硬化し、これにより、前記可撓式軟板積層整合燃料電池を製造することを特徴とする請求項１に記載の方法。
16. 圧合、或いは、硬化の操作環境は、温度８０℃〜２００℃の間に設定され、圧合と硬化を実行することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記粘着界質は、エポキシ、或いは、プレプレグのどちらかであることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記可撓式軟板積層整合燃料電池は、可撓式軟板積層整合直接メタノール燃料電池であることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
19. 前記フレキシブル回路基板は、フレキシブル回路銅箔基板であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
20. 可撓式軟板積層整合燃料電池であって、燃料電池反応層は、アノード電線路層、カソード電線層、前記アノード電線路層と前記カソード電線層間の質量移動電解質層、からなり、
    流道層は、粘着界質により、印刷、或いは、プレプレグ畳合手段で、前記燃料電池反応層と畳合し、畳合後の前記燃料電池反応層と前記燃料電池反応層は、ホットプレス機により圧合、或いは、高温硬化することを特徴とする可撓式軟板積層整合燃料電池。
21. 前記流道層は、少なくとも一つの流道槽を有し、且つ、ホットプレス機、レーザー成形機、CNC成形機等の機器設備のどれかにより、前記可撓式基板上に、所定深さの前記流道槽を成形することを特徴とする請求項２０に記載の可撓式軟板積層整合燃料電池。
22. 前記流道槽の所定深さは、１mm〜１０mmの間であることを特徴とする請求項２１に記載の可撓式軟板積層整合燃料電池。
23. 前記フレキシブル回路基板は、フレキシブル回路銅箔基板であることを特徴とする請求項２０に記載の可撓式軟板積層整合燃料電池。
24. 前記可撓式基板は、可撓性を有し、非金属材料の基板であることを特徴とする請求項２０に記載の可撓式軟板積層整合燃料電池。
25. 前記可撓式基板は、フレキシブル回路基板であることを特徴とする請求項２０に記載の可撓式軟板積層整合燃料電池。
26. 前記可撓式軟板積層整合燃料電池は、可撓式軟板積層整合直接メタノール燃料電池であることを特徴とする請求項２０に記載の可撓式軟板積層整合燃料電池。
27. 前記アノード電線路層は、少なくとも一つ以上のアノード電線路からなり、前記アノード電線路は、前記質量移動電解質層の一つの燃料電池ユニットに対応することを特徴とする請求項２０に記載の可撓式軟板積層整合燃料電池。
28. 前記アノード電線路層は、更に、制御線路を含むことを特徴とする請求項２７に記載の可撓式軟板積層整合燃料電池。
29. 前記カソード電線路層は、少なくとも一つ以上のカソード電線路からなり、前記カソード電線路は、前記質量移動電解質層の一つの燃料電池ユニットに対応することを特徴とする請求項２０に記載の可撓式軟板積層整合燃料電池。
30. 前記カソード電線路層は、更に、制御線路を含むことを特徴とする請求項２９に記載の可撓式軟板積層整合燃料電池。
31. 前記フレキシブル回路基板は、フレキシブル回路銅箔基板であることを特徴とする請求項２０に記載の可撓式軟板積層整合燃料電池。
    

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